物联网工程应用-基于人工智能经典案例【教案】 第2章 物联网体系标准与协议架构

1、封面《物联网工程应用》教案课程名称：物联网技术及应用总学时／周学时：48/4开课时间：第1周至第12周授课年级、班级：信息工程2025级使用教材：物联网工程应用授课教师：2、教案扉页课程要求（在培养方案中的地位、开课学期，先修、后续课程）《物联网技术及应用》是信息工程、自动化专业的专业课，在专业课程体系中占有重要地位。开课学期：先修课程/后修课程：电路原理、嵌入式系统原理与应用教学目标课程目标1：掌握物联网相关的基本知识和分析设计方法。课程目标2：掌握物联网基本协议，如：Zigbee协议。课程目标3：掌握物联网关键支撑技术：网络中间件技术和基于传感网网络的关键技术。课程目标4：能够针对物联网特定功能及技术指标需求，完成物联网相关子系统的工程设计。课程目标5：掌握一些经典的网络应用算法，了解物联网发展中的经典应用。课程目标6：能够自主设计智能算法，使其胜任智能交通、环境保护、智能家居等不同领域中的工作。课程目标7：能够对物联网系统的软、硬件、网络算法、工程软件进行设计与开发，在设计中体现创新意识。课程目标8：能够处理物联网领域的复杂工程问题，考虑不同环境的需求，综合设计解决方案。教学方法讲授、讨论+实验课程性质（创新意识、实践能力培养）本课程将物联网理论研究和工程实践相结合，按照“物体信息感知、感知信息传输、感知信息处理服务及应用”的教学路线展开，涵盖物联网领域的重要内容和最新技术。主要教学内容涉及无线传感器网络节能机制设计、物联网平台与协议架构研究、近场无线通信技术标准及应用研究、物联网定位技术、信息处理与服务管理技术、物联网智能信息处理技术、物联网的服务与管理等，引导学生在大国崛起的奋斗道路中，树立面向物联网核心理论的自主知识产权化、基于物联网电路的中国智造化及物联网中国芯设计的重要作用，实现全面感知、可靠传输、智能处理、自动控制的物联网技术研究及应用的教学目标。旨在培养具备计算机网络专业知识技能，掌握网络、射频、无线通信相关技术，从事物联网领域系统设计与科技开发方面的高等工程技术人才。参考资料1《物联网工程应用技术实践教程》、黄如、电子工业出版社、2014年2《物联网工程工程原理与应用》、黄如、电子工业出版社、2020年3《射频识别技术原理与应用》、周晓、电子工业出版社、2015年4《传感器技术》、谢双维、中国计量出版社、2015年5《物联网导论（第二版）》、刘云浩、科学出版社出版、2013年备注说明3、教案内容第2章物联网体系标准与协议架构课题名称第2章物联网体系标准与协议架构计划学时8课时内容分析本章将重点关注智能物联网的体系标准与协议架构，深入探讨近场无线通信技术标准及协议，包括Bluetooth、高速WPAN、ZigBee、WLAN和高速WMAN，分析它们在智能物联网环境中的角色和适用场景。此外，本章还将详细介绍物联网体系架构的三个关键层级：感知层、网络层和应用层，以及它们如何共同工作以实现智能物联网的互操作性。进一步地，本章将探讨智能物联网的架构和应用，包括物联网智能架构、物联网专家系统和物联网工程应用。这些内容将为学生提供一个全面的视角，了解如何利用智能物联网技术来构建更智能、更互联的系统和服务。通过本章的学习，学生将获得对智能物联网体系标准与协议架构的深入理解，为在实际项目中设计和实施智能物联网解决方案打下坚实的基础。教学目标及基本要求掌握近场无线通信技术标准及协议，包括Bluetooth、高速WPAN、ZigBee、WLAN、高速WMAN等，并了解它们在智慧城市信息资源智能化服务中的应用。理解物联网的体系架构和互操作性，包括感知层、网络层和应用层的功能、组成及其相互关系。分析物联网各层的主要标准和协议，以及它们在实现物联网系统中的作用。了解智能物联网架构的特点，掌握物联网专家系统的基本概念，并探讨物联网工程应用的实际案例。培养学生对于物联网标准与协议架构的整体认识，提高其在实际工作中应用这些技术和标准的能力。通过本章学习，使学生能够对物联网的体系标准与协议架构有一个系统的理解，为后续学习和实践打下坚实基础。教学重点掌握近场无线通信技术标准及协议，包括Bluetooth、高速WPAN、ZigBee、WLAN、高速WMAN等，并了解它们在智慧城市信息资源智能化服务中的应用。理解物联网的体系架构和互操作性，包括感知层、网络层和应用层的功能、组成及其相互关系。分析物联网各层的主要标准和协议，以及它们在实现物联网系统中的作用。教学难点理解物联网的体系架构和互操作性，包括感知层、网络层和应用层的功能、组成及其相互关系。教学方式讲授、讨论+实验教学过程第1-2课时（近场无线通信技术标准及协议（1））一、创设情境，引出本节内容在当今快速发展的技术时代，智能物联网已经成为连接物理世界与数字世界的重要桥梁。随着智能设备和传感器的普及，物联网的应用场景变得越来越广泛，从智能家居到工业自动化，从健康监测到智慧城市，智能物联网正在深刻改变着我们的工作和生活方式。为了实现这些多样化应用，一个统一、高效、可靠的物联网体系标准与协议架构至关重要。进入重点知识的讲解（1）Bluetooth标准介绍蓝牙（Bluetooth）这个概念源于1994年，当时的ERICSSON公司对无电缆情况下的移动电话和其他设备产生了浓厚的兴趣，为此，ERICSSON公司联合IBM、Intel、NOKIA和Toshiba这4家公司，发起了一个用于将计算机与通信设备、附加部件和外部设备，通过短距离的、低功耗的、低成本的无线信道连接的无线标准的项目的开发，这个项目称为蓝牙。所谓蓝牙，是一种可实现固定设备、移动设备和楼宇个域网之间的短距离数据交换（使用2.4～2.485GHz的ISM波段的UHF无线电波）的无线技术标准。IEEE将蓝牙技术列为IEEE802.15.1，但如今已不再维持该标准。对于对功耗要求较高且需要和手机、计算机等设备直接交互的物联网产品而言，蓝牙的低功耗、短距离通信等特点很好地满足了其需求，因此，蓝牙在物联网中得到了广泛的应用。相较于蓝牙4.0，蓝牙5.0在传输速度及传输极限距离上都有了较大的性能提升，另外，在抗干扰方面，蓝牙5.0也得到了有效提升，能够有效地抵御多种电磁干扰。但蓝牙同样有一些缺陷，即无法保证数据传输的安全性，因此，对其的研究还需要进一步深入。总体而言，蓝牙主要有以下几个特点。（1）工作频段全球通用。蓝牙的载频选用全球可用的2.45GHz工业、科学、医学（ISM）频带，这使得全球范围内的用户均可以对其进行无界限的使用，解决了蜂窝式移动电话的“国界”障碍。蓝牙技术可以使拥有蓝牙功能的设备很方便、快速地搜索到另一个蓝牙技术产品，并与其建立连接，然后可以通过控制软件在两个设备间进行数据传输。（2）兼容性和抗干扰能力强。目前，蓝牙技术已经能够发展成为独立于操作系统的一门技术，且对各种操作系统都具有良好的兼容性。蓝牙技术具有跳频功能，该功能可以有效地避免ISM频带遇到干扰源，大大提高了蓝牙技术的抗干扰能力。（3）传输距离较短。蓝牙技术是一门短距离无线通信技术，因此，传输距离短也是蓝牙的一个特点。现阶段的蓝牙技术的主要工作范围为10m左右，增大射频功率后的蓝牙技术可以在100m的范围内进行工作，只有在工作范围内才能保证蓝牙技术的传输速度不受影响。而且，蓝牙技术的连接过程可以大大减小该技术与其他电子产品之间的干扰，从而保证自己可以正常运行。（4）低功耗。蓝牙设备在通信连接的状态下，具有激活、呼吸、保持和休眠模式，激活模式时蓝牙处于正常工作状态，而其他模式则是为了节能所规定的低功耗模式。（2）高速WPAN标准介绍WPAN是无线个人局域网通信技术（WirelessPersonalAreaNetworkCommunicationTechnologies）的简称，是一种采用无线连接的个人局域网，常被称为无线个人局域网或无线个域网。WPAN指的是能在便携式通信设备和电器之间进行短距离特别连接的网络。定义中的“特别连接”包含两层含义：一是指设备既能承担主控功能，又能承担被控功能；二是指设备具有加入或离开现有网络的方便性。WPAN关注的是个人的信息和连接需求，包括将数据从计算机同步到便携式设备、便携式设备之间的数据交换，以及为便携式设备提供Internet连接。相较于无线广域网（WWAN）、无线城域网（WMAN）、无线局域网（WLAN），无线个域网（WPAN）是一种覆盖范围较小的无线网络。WPAN在网络构成上位于整个网络链的末端，主要用于实现同一地点终端与终端间的连接，如计算机与蓝牙键盘的连接。人们通常按照传输速率将WPAN分为低速WPAN、高速WPAN及超高速WPAN。IEEE802.15WPAN工作组为了满足物理层（PHY）数据传输速率和介质访问控制层（MAC）服务质量（QualityofService，QoS）的要求，建立了一个IEEE802.15.3高速率WPAN任务组。经过授权，该组已经创建一个高速率的WPAN标准，提出这个标准的目的是连接下一代便携式消费者电器和通信设备，支持各种高速率的多媒体应用。高速WPAN主要具有以下几个特点：能为多媒体业务提供具有QoS支持的特别连接；可以很方便地加入和离开现有网络；具有先进的功率管理功能，可节省电源消耗；通信距离小于10m时的通信效果最优，成本、复杂性低；支持高达55Mb/s的高数据速率，可传输高质量影像和声音。（3）ZigBee标准介绍ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据传输速率、低成本的无线通信标准，以IEEE802.15.4无线通信技术为基础，涉及网络、安全、应用方面的软件协议。ZigBee技术被IEEE确定为低速率无线个人局域网标准，其作为低成本、低功耗、双向近距离无线通信标准，已经成为物联网研究领域的核心支撑技术。ZigBee技术自身所具备的优势与特点，使其与物联网领域的开发、应用完美结合，成为物联网的重要支撑技术。（1）工作频段灵活。已经可以使用的频段有2.4GHz、868MHz（欧洲）及915MHz（美国），都是可以免除执照的频段。（2）速率低。虽然在不同的工作频段ZigBee的数据传输速率不同，但是都处在较低的速率上。在868MHz频段，有一个数据传输速率为20kb/s的传输信道；在915MHz频段，有10个数据传输速率为40kb/s的传输信道；在2.4GHz频段，有16个数据传输速率为250kb/s的传输信道。（3）功耗低。ZigBee的时间分为工作期和非工作期。由于ZigBee技术的数据传输速率较低，传输的数据量很小，因此在工作时的信号收发时间短。而在非工作时，ZigBee节点处于休眠模式。在低功耗的待机模式下，一般ZigBee节点由两节普通5号干电池供电，可使用6个月以上，从而免去了充电或频繁更换电池的烦琐。（4）通信范围有限。ZigBee低功耗的特点决定了设备具有较小的发射功率，一般两个ZigBee节点的有效通信距离为10～75m，基本可以覆盖普通家庭和办公室。（5）成本低。由于ZigBee的数据传输速率较低、协议简单，因此其成本较低，而且其协议不收取专利费。ZigBee降低了其自身对通信控制器的要求，可以采用8位单片机进行控制，从而大大降低了硬件成本。（6）时延短。ZigBee的通信时延和从休眠状态到启动的时延都很短，该特征对时间敏感的信息是至关重要的，此外还可以减小能量消耗。（7）数据传输可靠。ZigBee采用了载波侦听/冲突检测（CSMA/CA）防碰撞机制，给需要带宽固定的通信业务预留专用时隙，避免在发送数据时产生冲突与竞争。在MAC层采用了确认数据传输机制，当传输过程中出现问题时可以重新发送，从而建立可靠的数据通信模式。（8）网络容量大。ZigBee设备有协调器、路由器和终端三种类型。每个ZigBee网络最多可支持255个设备，通过网络协调器的连接，整个网络可扩展至64000个ZigBee网络节点的规模，可以满足大面积无线传感器网络的布建需求。（9）组网方式灵活。ZigBee组网方式较为灵活，除了可以组成星形网、簇形网和网状网等方式，网络还可以随节点设备的加入或退出呈现动态变化。（10）自配置。在有效的通信范围内，ZigBee可以通过网关自动建立自己的网络，其采用的是CSMA/CA的方式接入信道；它的节点设备可随时加入或退出，拥有一种自组织的、自配置的组网连接模式。（11）安全模式。ZigBee支持认证与鉴权，并在数据传输过程中提供了三个等级的安全处理。第一级是无安全模式，例如，在某些应用中安全问题并不重要或上层已经给予足够多的安全保护，设备就可以选择这种方式来传输数据。第二级是安全模式，设备通过使用接入控制列表（ACL）来防止非法设备获取数据，这种安全模式不采取加密措施。第三级是安全模式，在数据传输过程中采用高级加密标准（AES.128）的对称密码，AES可以保护数据净荷和防止攻击者冒充合法的设备。ZigBee技术具有的上述优点，使之可以和物联网完美地结合在一起，成为物联网应用的重要支撑技术。三、归纳总结，随堂练习，布置作业（1）对课堂上讲解的知识点进行总结，使用学习通的练习题巩固本节课的知识点。第3-4课时（近场无线通信技术标准及协议（2））一、回顾上节课内容，引出本节内容（1）对上节课留的作业进行答疑（2）回顾上节课内容，引出本节课主题在上一节课中已经介绍了近场无线通信技术标准及协议中的Bluetooth标准、高速WPAN标准和ZigBee标准介绍，本节课将继续介绍WLAN标准和高速WMAN协议标准以及近场无线通信技术在智慧城市信息资源智能化服务中的应用。二、进行重点知识的讲解（1）WLAN标准介绍无线局域网（WirelessLocalAreaNetwork，WLAN）是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，它通过无线通信技术在一定局部范围内建立网络，从而实现传统有线局域网的功能，使用户真正实现随时、随地、随意的宽带网络接入。典型的WLAN结构如图2-1-10所示。无线网络的历史起源可以追溯到“二战”时期美国陆军研究出的一套无线电传输技术，该科技加上高强度的加密技术，实现了通过无线电信号进行资料传输的功能。这项技术让许多学者得到了灵感，到1971年，夏威夷大学成功地研究出第一个基于封包式技术的无线电通信网络ALOHNET，该网络包括7台计算机，采用双向星形拓扑横跨了4座岛屿，至此，无线网络正式诞生。此后，经过近20年的发展，IEEE于1990年正式启用了802.11项目，标志着无线网络技术逐渐走向成熟，从该项目开展以来，先后有IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g、IEEE802.11e、IEEE802.11f、IEEE802.11h、IEEE802.11i、IEEE802.11j、IEEE802.11n等标准的制定，目前IEEE802.11n已经得到普遍应用，IEEE802.11n技术可以给用户提供高速度、高质量的WLAN服务。2003年，Intel推出了自己旗下第一款带有WLAN无线网卡芯片模块的迅驰处理器，尽管当时的无线网络技术还不很成熟，但该芯片在功耗、性能上都远优于当时的芯片，且Intel对其进行了捆绑销售，使许多无线网络服务商看到了商机，从而大大促进了无线网络技术的发展。随着无线通信技术的不断发展，WLAN已融入人们的生活，成为人们生活中不可或缺的一部分。（2）高速WMAN协议标准介绍无线城域网（WMAN）按照IEEE802.16标准在一个城市的部分区域实现无线网络覆盖，由于建筑物之间的位置是固定的，因此WMAN需要在建筑物上建立基站，基站之间采用全双工、宽带通信方式工作。基于IEEE802.16标准的WPAN结构示意图如图2-1-15所示。WMAN的覆盖范围为几千米到几十千米，能提供语音、数据、图像、多媒体、IP等多业务的接入服务，且可以提供支持QoS的能力和具有一定范围移动性的共享接入能力。IEEE802.16工作组于1999年成立，成立该工作组的目的是开发宽带无线标准，以满足快速发展的宽带无线接入技术的需求。2002年4月，该工作组公布了一个10～66GHz的IEEE802.16标准。IEEE802.16是当前无线通信领域的前沿技术，是高速连接“最后一公里”的廉价方法，它提供了用户与核心网络之间的连接方式。IEEE802.16工作组又分为三个小工作组：IEEE802.16.1、IEEE802.16.2及IEEE802.16.3。这三个小工作组各自负责IEEE802.16标准开发的不同方面：IEEE802.16.1负责制定频率为10～60GHz的无线接口标准；IEEE802.16.2负责制定宽带无线接入系统共存方面的标准；IEEE802.16.3负责制定频率在2GHz到10GHz之间获得频率使用许可的应用的无线接口标准。11GHz以下范围的非视距特性较理想，树木与建筑物等对信号传输的影响较小，这使得基站的建设不需要架设高大的信号传输塔，只需在建筑物顶部直接安装即可，且2～11GHz的系统基本可以满足大多数宽带无线接入需求，因而更适用于“最后一公里”接入领域。为此，IEEE802.16工作组于2003年1月推出了运行于2～11GHz的扩展版本标准—IEEE802.16a，该标准适用于特许频段和2.4GHz、5.8GHz等无须许可的频段。2004年，IEEE802.16工作组在原有协议的基础上进行了补充和完善，提出了IEEE802.16d，该标准是一个相对成熟的标准，工作在10～66GHz和小于11GHz的频率范围，可以支持2～11GHz非视距传输和10～66GHz视距传输，但不支持移动环境，又称为固定WiMax。2005年，IEEE802.16e作为IEEE802.16d的增强版本被提出，该标准定义了同时支持固定和移动性宽带无线接入系统的空中接口，适用于6GHz以下的许可频道。协议栈中，物理层位于底层，由传输汇聚子层（TCL）和物理媒介依赖子层（PMD）组成，主要涉及频率带宽、调制方式、纠错技术及收发信机之间的同步、数据传输速率和时分复用结构等方面，支持时分双工（TDD）和频分双工（FDD）方式。时分双工是指上下行传输占用不同的时段，频分双工则指上下行传输占用不同的频率。MAC层由特定服务汇聚子层、MAC公共部分子层及安全子层组成。特定服务汇聚子层的功能为将服务接入点（SAP）接收到的外部网络数据映射到MAC服务数据单元（SDU），并通过MACSAP传输给MAC公共部分子层，不同类型的汇聚子层可以为高层提供不同的接口；MAC公共部分子层主要提供包括系统接入、带宽分配、连接建立及连接维护在内的MAC层核心功能；安全子层主要用于提供鉴权、密钥交换和加密功能。（3）近场无线通信技术在智慧城市信息资源智能化服务中的应用智慧城市的建设模式主要有3种：以物联网产业为驱动的建设模式、以信息基础设施建设为先导的建设模式、以社会应用为突破口的建设模式。其中，以物联网产业为驱动的建设模式日益成为关键的模式，而近场无线通信技术作为物联网的关键技术之一，在智慧城市信息资源智能化服务中也得到了广泛应用。蓝牙技术主要应用于各种设备的统一调度。（1）家庭应用。随着科学技术的不断发展，家庭中的电子化产品日益增多，使用蓝牙可以便于住户进行统一管理。蓝牙技术所使用的频段是开放的频段，这就使得任何用户都可以方便地应用蓝牙技术，而无须对频道的使用进行付费及其他处理。通过设置密码，用户可以使自家住宅的蓝牙私有化。在家中拥有数台计算机后，蓝牙的存在使用户只使用一部手机就可以对任意一台计算机进行操控。而其他家电（如冰箱、空调等）也可依据类似原理，通过蓝牙进行控制。（2）办公应用。在办公室中，一个强大的“蓝牙网络”可以将办公信息及时更新，将各类文件高速推送。办公室中的各种内部交流也可以通过这个“蓝牙网络”进行。计算机、手机、打印机等设备均可通过蓝牙交流。蜘蛛网式的会议室也将被淘汰，白板记录仪、摄影机等都可以利用蓝牙来简化操作。（3）公共场所。在现今的公共场所中，Wi-Fi变得更加普及，而在应用蓝牙后，设置蓝牙基站的企业可以通过蓝牙技术向覆盖范围内的所有终端传送企业广告。例如，餐厅可以通过蓝牙技术将顾客的点单同步到传送台和后厨，可以大大节约人力和时间成本。除为家庭、办公区域、公共区域提供网络外，Wi-Fi技术也时常被应用于定位系统。（1）医院资产和人员安全管理。国外医院正迅速采用基于无线局域网的RFID实时定位系统，国内医院也非常关注这一新动向。在医院或医疗机构的动态工作环境中，对资产和人员的低可见度往往导致时间与资源的严重浪费，甚至造成无法弥补的后果。基于Wi-Fi的RFID实时定位系统能够实时地跟踪病人、职员和医疗设备，监视有价值资产的区域安全和环境条件。医疗保健机构采用基于Wi-Fi的RFID实时定位系统能获得非常大的收益。（2）物流配送管理。物流行业一直是实时定位技术的典型应用领域，随着物流业的快速发展，无线物流将会成为未来物流发展的趋势。物流分配中心每天会有大量的托盘、拖车进出，需要花费大量的人力、物力去管理这些不断移动的资产，而且人工的操作容易导致很多错误。采用了基于Wi-Fi的RFID实时定位系统后，这些托盘和拖车的位置会随时被自动记录下来，只要在系统的电子地图上搜索，就可以立即找到它们。一旦发生错误放置，系统就会立即报警。（3）涉密资产和人员定位管理。在学校、公园等基于人员安全或其他特殊目的的环境中，往往需要随时了解人员所在的位置、行踪和人员状况。另外，针对贵重资产和涉密资产，往往需要提供实时的监护和看管，基于Wi-Fi的RFID实时定位系统可以很好地应用在这些定位管理上，可以加强资产和人员安全管理。（1）高校智能照明系统。传统的高校照明系统存在教室、图书馆、实验室无人亮灯、人少亮灯，以及楼道、厕所、路灯通夜亮灯等情况。针对上述情况，部分高校将ZigBee技术应用到高校照明系统中，将ZigBee协议作为理论依据，设计高校路灯照明系统。整个系统基于网状拓扑结构体系，其中硬件采用CC2530芯片，软件采用Z-Stack协议栈，通过路由器向节点上的终端设备发送信号，终端设备收到信号后进行反馈，进而完成对照明设备的控制。该系统实现了对高校路灯及教学楼、图书馆等楼宇照明的有效控制，达到了节能的目的。（2）智能家居。基于ZigBee技术的智能家居应用，可把ZigBee模块嵌入智能家居环境监测系统的各传感器设备中，实现近距离无线组网与数据传输。由用户PC或手机、网关、光线传感器、温湿度传感器、二氧化碳传感器、甲醛传感器、灰尘传感器等设备组成完整系统，实现智慧门禁、智慧家电、智慧安防等，可以提供完整且实时的家庭环境报告，给人们带来更健康的生活。（3）医疗检测应用。生命体征检测设备由加速度计，陀螺仪，温度、皮电、血压等传感器组成。实时监测和采集心率、呼吸、血压、心电、核心体温、位移等多种身体特征参数。生命体征检测设备内置ZigBee模块，可实时记录病人数据，最终无线传输到终端或工作站实现远程监控。且救护车在去往医院的途中，可以使用该技术提供实时的病人信息，同时可以实现远程诊断与初级的看护，从而大幅缩短救援的响应时间，为病人的进一步抢救赢得宝贵的时间。三、归纳总结，随堂练习，布置作业（1）对课堂上讲解的知识点进行总结，使用学习通中的随堂练习题巩固本节课的知识点。第5-6课时（物联网体系架构和互操作性）一、回顾上节课内容，引出本节内容（1）对上节课留的作业进行答疑（2）回顾上节课内容，引出本节课主题在上两节课中已经介绍了物联网体系标准与协议架构，本节课将讲解物联网体系架构和互操作性。体系架构可以精确地定义系统的各组成部件及其之间的关系，指导开发人员遵循一致的原则实现系统，保证最终建立的系统符合预期的设想。由此可见，体系架构的研究与设计关系到整个物联网系统的发展。从技术架构上来看，物联网可分为三层：感知层、网络层和应用层。感知层主要包括传感技术、射频技术、组网技术、短距离传输技术等；网络层主要包括各类网络；应用层则包括各种服务支撑技术及各类应用。二、进行重点知识的讲解（1）感知层感知层由各种传感器、执行器、短距离无线通信节点、数据网关等构成，包括：传感器、二维码扫描仪、RFID标签和读写器、摄像头、GPS等感知终端；步进电机、直流电机、继电器、电磁阀等执行器；ZigBee、Wi-Fi、IPv6、蓝牙等短距离无线通信节点及数据网关等感知层相当于人的眼耳鼻喉和皮肤等感知系统，它是物联网识别物体、采集信息的手段，其主要功能是识别物体、采集信息、数据汇聚等。电子产品编码（ElectronicProductCode，EPC）是一种对EAN·UCC（全球统一标识系统）的条形编码进行扩充后形成的编码系统，是一个完整的、复杂的、综合的系统。建立这个系统的目的是为每一件单品建立全球的、开放的标识标准，实现全球范围内对单件产品的跟踪与追溯，从而有效提高供应链管理水平、降低物流成本。RFID（RadioFrequencyIdentification）即射频识别技术，俗称电子标签，通过射频信号自动识别目标对象，并对其信息进行标志、登记、存储和管理。RFID系统主要由三部分组成。①电子标签：由芯片和标签天线或线圈组成，通过电感耦合或电磁反射原理与读写器进行通信。每个电子标签内部都存储着唯一的识别码（ID）。这个识别码不能修改，也不能进行造假，在使用中保证了产品信息的安全性和可靠性。当电子标签附着在物体上时，电子标签上的识别号就与物体建立了一一对应的关系。②读写器：由天线、耦合元件、芯片组成，用于读取（在读写卡中还可以写入）标签信息的设备。③天线：可以内置在读写器中，也可以通过同轴电缆与读写器的天线接口相连。用于在标签和读写器间传输射频信号，即标签的数据信息。传感器技术是物联网的基础技术之一，也是物联网感知层中至关重要的技术。传感器技术的出现早于物联网技术，物联网技术的出现对传感器技术提出了更高的要求，促进了传感器技术的发展。作为物联网的基础单元，传感器在物联网的信息感知与采集层面，是物联网系统特性优良与否的关键。传感器是指能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置。传感器是各种信息处理系统获取信息的重要途径。在以传感网为核心的物联网中，传感器的作用尤为突出，是物联网中获得信息的主要设备和构成感知层的基本硬件基础。作为物联网中的信息采集设备，传感器利用各种机制把被测量转换为一定形式的电信号，然后由相应的信号处理装置来处理，并产生相应的动作。常见的传感器包括温度传感器、压力传感器、湿度传感器、光传感器、霍尔（磁性）传感器等。传感器一般由敏感元件、转换元件、变换电路和辅助电源这4部分组成。无线传感器网络（WSN）是由大量传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，它能够实现数据的采集量化、处理融合和传输应用，具有快速展开、抗毁性强等特点，是物联网概念中很重要的内容。WSN作为物联网前端技术，是一种全新的信息获取平台，是普适计算和未来感知系统的重要技术基础、物联网的重要组成部分和关键技术基础。美国《商业周刊》和《麻省理工科技评论》在预测未来技术发展的报告中，分别将无线传感器网络技术列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一。（2）网络层网络层由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统、数据服务器等组成，相当于人的神经中枢和大脑，负责传输与处理感知层获取的信息。经过几十年的快速发展，移动通信、互联网等技术已比较成熟，基本能够满足物联网数据传输的需要。M2M（Machine-to-Machine）即机器对机器，是一种在系统之间、远程设备之间、机器与人之间建立无线连接，使设备数据可以实时传输的技术，其目标是使所有机器都具备联网和通信能力，核心理念就是网络一切（NetworkEverything）。M2M综合了数据采集、远程监控、通信、信息处理等技术，实现了人与机器、机器与机器之间畅通无阻、随时随地的通信。M2M技术是首先在物联网中得到广泛应用的技术，对于物联网而言，M2M是一个点，或者说是一条线，只有当其规模化、普及化，且各个M2M系统之间通过网络实现智能的融合和通信时，才能形成物联网。M2M的发展将极大地推进物联网行业的发展，并彻底改变整个社会的工作和生活方式，提高生产能力及工作效率，使人们的生活更轻松、更便利、更和谐。未来的物联网将由无数个M2M系统组成，它们通过中央处理单元协同运作，负责自己的功能处理，最终组成智能化的社会系统。LR-WPAN是为短距离、低速率、低功耗无线通信而设计的网络，它是由IEEE802.15.4定义的一种低速无线个域网协议。IEEE802.15.4的设备密度很大，迫切需要实现网络化，且为了满足不同设备制造商的设备间的互联和互操作性，需要制定统一的网络层标准，但是该标准只规定了物理层（PHY）和介质访问控制（MAC）层标准，而没有涉及网络层以上的规范，这使得其网络化尤为困难。而IPv6具有规模空前的地址空间及开放性，使得人们开始研究IPv6技术与LR-WPAN技术相结合的技术，以期解决IEEE802.15.4面临的问题，6LoWPAN应运而生。6LoWPAN（IPv6overLowPowerWirelessPersonalAreaNetwork）是由互联网工程任务组（IETF）定义的一种基于IPv6的低速无线个域网标准，即IPv6overIEEE802.15.4。研究该技术的目的是将IPv6引入以IEEE802.15.4为底层标准的无线个域网。该技术的出现解决了窄带宽无线网络中的低功耗、有限处理能力的嵌入式设备使用IPv6的困难，实现了短距离通信到IPv6的接入，推动了短距离、低速率、低功耗的无线个人区域网络的发展。TD-SCDMA（TimeDivision-SynchronousCodeDivisionMultipleAccess，时分同步码分多址）是以我国知识产权为主的、被国际上广泛接受和认可的第三代移动通信（简称3G）标准，也是被国际电信联盟批准的三个3G标准之一。TD-SCDMA的优势主要在其频谱利用率、频谱灵活性及成本上，且其采用时分双工的方式，使上行和下行的特性几乎相同，因此，将其应用于物联网的承载网技术中，能大大推动物联网的发展。在物联网的承载平台中应用TD-SCDMA标准将充分发挥其优势，且可以推动物联网技术在工业控制、农业种植和医疗环保等行业的发展。光导纤维通信简称光纤通信，是一种利用光导纤维传输信号，从而实现信息传输的通信方式。在实际应用中，光纤通信系统使用的是由许多光纤聚集在一起而形成的光缆，而不是单根的光纤。采用光纤传导信号，使光纤通信系统具有很多别的通信系统没有的优势，主要有以下6点：（1）频带宽，通信容量大；（2）传输损耗低；（3）抗电磁干扰；（4）保密性强，使用安全；（5）体积小、质量轻，便于铺设；（6）材料资源丰富。这些优点非常符合物联网技术中对海量数据的传输与承载的要求，因此将该技术使用在物联网中，将大大加快物联网的发展进程。（3）应用层应用层可以分为两个子层：一个是云应用层，进行数据挖掘、存储、计算和处理；另一个是终端人机世界，主要负责信息的显示。物联网的应用层覆盖自然界的方方面面，如工业、农业、物流、医疗等国民经济和社会领域。应用层的主要支撑技术为服务与管理技术、云计算和雾计算技术。云计算的特征如下：①超大规模。“云”所拥有的超强的运算、存储和信息服务功能来自其超大规模的服务器集群。②弹性服务。云计算提供的服务规模能够快速伸缩，这使得云计算能够快速调整用户使用的资源，使其与用户业务需求相一致，避免了服务器性能过载或冗余而导致的服务质量下降或资源浪费。③资源池化。通过共享资源池的方式对资源进行统一管理。利用虚拟化技术，将资源分享给不同用户，且资源的放置、管理与分配策略对用户透明。④服务可计费。监控用户资源使用量，并根据资源的使用情况对服务计费。⑤泛在接入。用户可以利用各种终端设备，如PC、笔记本电脑、智能手机等，随时随地通过互联网使用云计算服务。⑥可靠性。云计算使用了数据多副本容错、计算节点同构可互换等措施来保障服务的可靠性。云计算是分布式计算、互联网技术、大规模资源管理等技术的融合与发展，其研究与应用是一个系统工程问题，涵盖了数据中心管理、资源虚拟化、海量数据处理、计算机安全等重要问题。雾计算于2011年由思科公司提出，其原理是在用户和云服务层之间增加一个雾层，利用距离用户较近的雾层中的设备提供有弹性的计算资源。雾计算是对云计算概念的一种延伸，因此相较于云计算，既有相似之处，又有诸多不同。在计算模式上，雾计算与云计算类似，都是基于网络的计算模式，雾计算通过互联网上的雾节点提供数据共享、计算、存储等服务；在计算模型上，云计算采用的是一种相对集中的计算模型，利用核心网络中强大的资源处理来自网络环境的请求，在实现高速计算存储等功能的同时带来了更大的网络延迟等问题，而雾计算则采用了一种具有更广泛分布式部署的处理环境，数据的存储和处理更依赖边缘设备，充分利用边缘网络中的资源提供更有效的服务。因此，雾计算并非同云计算一般由性能强大的服务器群组成，而是由性能较弱、更为分散的各种功能计算机组成的，它强调数量，且无论单个计算节点能力多么弱，都要发挥作用。因此，雾计算环境需要大量的边缘设备为用户提供更有效的服务，雾计算的用户通常需要为此支付一定的费用，计算服务设备则可以通过出借自身多余的计算资源来获得一定的收益奖励。通用的雾计算架构是一个三层的网络结构。底层是终端用户的物联网设备层，主要由智能手机、PC、智能手表等组成；中间层是雾计算层，主要由具有一定计算能力的雾设备（如路由器、网关、小型服务器等）组成；上层是云计算中心层，主要由能够处理和存储大量数据的云服务器组成。随着云计算、雾计算技术的发展和成熟，各大厂商都建立了自己的基于云计算、雾计算的物联网平台，这些平台主要分为两类：一类是阿里云这样的平台，这类平台没有为个人用户提供服务的产品，因此只提供云端服务和App定制功能；另一类是华为、小米等企业的平台，这类平台拥有为个人用户提供服务的产品，因此，可以提供各种网关服务，便于设备的接入。三、归纳总结，随堂练习，布置作业（1）对课堂上讲解的知识点进行总结，使用学习通中的随堂练习题巩固本节课的知识点。第7-8课时（智能物联网架构和应用）一、回顾上节课内容，引出本节内容（1）对上节课留的作业进行答疑（2）回顾上节课内容，引出本节课主题在上三节课中已经介绍了物联网体系标准与协议架构和物联网体系架构和互操作性，本节课将继续介绍当今时代中的智能物联网架构和应用。二、进行重点知识的讲解（1）物联网智能架构物联网作为信息产业的核心技术之一，与人工智能的结合是必然的，因此，我国于2018年提出了智能物联网的概念。智能物联网是一种在传统物联网信息收集的基础上，融合了人工智能中的机器学习技术，从而实现对收集到的实时数据进行智能化分析的新型物联网。人工智能与物联网结合，为物联网提供了感知、分析、控制与执行的智能化，使得物联网具有更强的感知与识别能力。而对于人工智能而言，物联网采集的信息数据又很好地为其提供了训练数据，两者相辅相成，共同发展。物联网与人工智能作为21世